DE2726387A1 - Vorrichtung zum beaufschlagen eines substrates mit verhaeltnismaessig kalter uv-strahlung - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

ELFENSTRASSE32 - D SOOO MÜNCHEN S3

272(5387

L-1O842-G

UNION CARBIDE CORPORATION 27o Park Avenue, New York N.Y. 1oo17, V.St.A

Vorrichtung zum Beaufschlagen eines Substrates mit verhältnismäßig kalter UV-Strahlung

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FERNSPRECHER: 089/6012039 ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

Die Erfindung befaßt sich mit der Verwendung von dichroitischen Filtern in Verbindung mit Ultraviolettlichtquellen (UV-Lichtquellen) und betrifft insbesondere eine Vorrichtung, bei der ein System von dichroitischen Filtern in Verbindung mit einer UV-Linienquelle derart angeordnet ist, daß das die Öffnung der Vorrichtung verlassende Licht im wesentlichen vollständig aus UV-Strahlung besteht.

Fotohärtbare organische Überzugsstoffe lassen sich mit niedrigen bis mäßigen Flußdichten aushärten, und zwar häufig mit UV-Licht von nur einer Wellenlänge. Diese Art von Energie kann mit Hilfe von Niederleistungs-UV-Lampen (beispielsweise keimtötenden Lampen) leicht erzeugt werden, die einen hohen Wirkungsgrad haben und verhältnismäßig kalt sind. Wenn jedoch stark pigmentierte, verhältnismäßig dicke Überzüge ausgehärtet werden sollen, ist es notwendig, für eine breite spektrale Verteilung der UV-Strahlung zu sorgen und mit höherer Flußdichte zu arbeiten. Dies läßt sich ohne weiteres mit Quecksilberlampen höherer Leistung erreichen, das heißt Lampen mit einer Leistung von einigen 1o bis einigen 1oo Watt je 2,5 cm Lichtbogenlänge. Diese Lampen erzeugen unvermeidbar eine große Menge an Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) die sich als Wärme auf dem auszuhärtenden Substrat auswirkt. Dies schließt in vielen Fällen den Einsatz von Hochleistungs-UV-Lampen als UV-Quelle aus, weil die erzeugte Wärme das auszuhärtende Sub-

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strat, beispielsweise Papier, Kunststofflaminat und dergleichen, zerstört. Bis jetzt waren daher UV-Lampen in ihrer Anwendbarkeit für solche und ähnliche Zwecke beschränkt.

In der einschlägigen Technik wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, ein System zum Trennen des erwünschten UV-Lichts von dem unerwünschten IR-Licht zu entwickeln. Bei einigen der vorgeschlagenen Lösungen werden Wasserfilter benutzt. Diese Lösung hängt von der Wasserreinheit ab, die schwierig aufrechtzuerhalten ist; es kommt zu erhöhten Verlusten der das Wasser durchlaufenden UV-Strahlung, wenn die Reinheit des Wassers abnimmt. Dichroitische Stoffe sind bekannte Materialien, die in der Lage sind, Licht zu trennen, indem ein Wellenlängenband reflektiert wird, während andere Wellenlängenbänder durchgelassen werden. Bis jetzt wurde jedoch noch kein marktfähiges, praktisch verwendbares, wirtschaftliches System zum Einsatz von dichroitischen Filtern in Verbindung mit Hochleistungs-Quecksilberdampflampen entwickelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine UV-Lichtanordnung mit dichroitischen Filtern zu schaffen, die für ein verhältnismäßig kaltes UV-Licht auf einem Substrat mit einem auszuhärtenden Überzug sorgen. Die Vorrichtung soll kompakt und wirtschaftlich sein, sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen .

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Bei einer Vorrichtung zum Aufbringen eines im wesentlichen ganz aus Ultraviolettlicht bestehenaen Strahls hoher Flußdichte auf ein Substrat wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein ellipsenähnliches Reflektorgehäuse mit einer am einen Ende vorgesehenen Öffnung und einer ersten Brennlinie, eine innerhalb des Gehäuses im Bereich der Brennlinie des Gehäuses angeordnete, lineare UV-Lichtquelle, deren Längsachse in einer zu der Ebene der Öffnung des Reflektorgehäuses senkrechten Symmetrieebene der Vorrichtung liegt, eine auf jeder Seite der Symmetrieebene angeordnete, erste, optisch flache, dichroitische Fläche, deren eines Ende benachbart der Reflektorgehäuseöffnung sitzt, eine auf jeder Seite der Symmetrieebene angeordnete, zweite, optisch flache, dichroitische Fläche, die mit der anderen Seite der ersten dichroitischen Fläche derart verbunden ist, daß die erste und die zweite dichroitische Fläche auf beiden Seiten der Symmetrieebene, von dieser aus gesehen, eine konkave Oberfläche bilden, ein zwischen den konkaven Oberflächen montiertes, keilförmiges Bauteil, dessen Längssymmetrieebene mit der Symmetrieebene der Vorrichtung zusammenfällt und das benachbart der Reflektoröffnung jenseits der zweiten Brennlinie des Reflektorgehäuses derart sitzt, daß im wesentlichen das gesamte von der Linienquelle abgegebene UV-Licht nur einmal eine dichroitische Fläche trifft und im wesentlichen das gesamte die Vorrichtung verlassende UV-Licht einmal die dichroitische Fläche getroffen hat.

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Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Stirnaufrißansicht des Äußeren der

Vorrichtung ohne Lichtquelle,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach

Fig. 1, die die der Vorrichtung zugeordneten Wasserkühldurchlässe erkennen läßt,

Fig. 3 einen Querschnitt einer bevorzugten Aus

führungsform der Vorrichtung nach Fig. 1 entlang der Linie 3-3 sowie

Fig. 4 und 5 Darstellungen typischer Lichtstrahlengänge

für das von den Quadranten der Lichtquelle ausgehende Licht.

Wie insbesondere aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht, weist die Vorrichtung nach der Erfindung ein Lampengehäuse 1 mit einer reflektierenden Innenfläche 3 und einer Öffnung 4 auf. Die Fläche 3 besteht aus drei zylindrischen Flächen, deren Krümmungsmittelpunkte in den Fig. 4 und 5 bei 5,7 und 9 dargestellt sind. Die Fläche 3 hat daher eine ellipsenartige Form.

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Um einen leichten Zugang zu der dichroitischen Filteranordnung zu ermöglichen, ist das Lampengehäuse 1 auf der dichroitischen Anordnung 11 lösbar montiert, wobei die Öffnung 4 des Gehäuses 1 mit der Anordnung 11 in Verbindung steht. Eine Hochleistungs-Quecksilberdampflampe 13 sitzt in dem Gehäuse 1 an der ersten Brennlinie 15. Das Lampengehäuse 1 und die Anordnung 11 der Vorrichtung weisen eine Symmetrieebene auf, die senkrecht zu der Ebene der Öffnung 4 steht. Die Symmetrieebene ist in Fig. 3 bei 16 angedeutet. Die Längsachse der Lampe 13 liegt in der Symmetrieebene 16.

Die dichroitische Anordnung 11 weist erste optisch flache, dichroitische Flächen 17 und 18 auf, die in der Anordnung 11 auf beiden Seiten der Symmetrieebene 16 derart montiert sind, daß ein Ende der ersten dichroitischen Flächen 17, 18 benachbart der Lampengehäuseöffnung 4 sitzt, wenn das Lampengehäuse und die dichroitische Anordnung für den Betrieb zusammengesetzt sind. Zweite optisch flache, dichroitische Flächen 19 und 2o sind in der Anordnung 11 auf beiden Seiten der Symmetrieebene 16 montiert und mit dem anderen Ende 21, 22 der dichroitischen Filter 17 bzw. 18 derart verbunden, daß die Flächen 17 und 19 sowie die Flächen 19 und 2o auf beiden Seiten der Symmetrieebene, von dieser aus gesehen, eine konkave Oberfläche bilden. Vorzugsweise sind die Flächen 17 und 18 mit Bezug auf die Symmetrieebene in einem Winkel θ von ungefähr 9 Grad ge-

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neigt. Dieser Winkel wird zwischen einer Linie 23, die parallel zu der Symmetrieebene 16 verläuft, und den dichroitischen Flächen 17 und 18 gemessen. Die Flächen 19 und 2o sind mit Bezug auf die Symmetrieebene in einem Winkel Ή von ungefähr 11 Grad geneigt.

Die dichroitischen Flächen 17 und 18 sind auf extrudierten Absorberteilen 24 und 25 aus Aluminium montiert. In entsprechender Weise sitzen die dichroitischen Flächen 19 und auf extrudierten Absorberteilen 26 und 27 aus Aluminium. Benachbart der Rückseite der dichroitischen Flächen sind die Absorberteile mit einer sägezahnförmigen Oberfläche versehen, wobei der eingeschlossene Winkel zwischen den Zähnen ungefähr 3o Grad beträgt.

Für eine Wasserkühlung der Absorberflächen wird gesorgt, indem durch Kanäle 29 Kühlwasser hindurchgeleitet wird. Die Anordnung 11 ist an beiden Enden mittels einer seitlichen Spiegelfläche 28 abgeschlossen.

Ein keilförmiges Teil 3o ist in der Anordnung 11 zwischen den dichroitischen Flächen 17, 19 bzw. 18, 2o derart montiert, daß seine Längssymmetrieebene mit der Symmetrieebene 16 der Vorrichtung zusammenfällt. Der Keil 3o sitzt in Richtung der Symmetrieebene 16 jenseits der zweiten Brennlinie 32 des-Re-

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flektorgehäuses 1. Der Keil und dessen zuvor erwähnte Lage stellen sicher, da8 im wesentlichen alle von der Lichtquelle 13 ausgehenden Lichtstrahlen nur einmal von einer dichroitischen Fläche zurückreflektiert werden. Der Keil verhindert damit den unmittelbaren Austritt von nicht gefiltertem Licht (Fig. 4 und 5); er lenkt diese Lichtstrahlen zu einer Filterfläche; außerdem läßt er gefilterte Lichtstrahlen aus der Vorrichtung austreten, ohne daß sie erneut auf eine Filterfläche treffen. Um dies zu erreichen, besteht der Keil vorzugsweise aus vier Segmenten mit zylindrischer Oberfläche und vier Spiegeloberflächen auf einem entsprechend geformten Aluminiumgehäuse. Bei dieser Ausführungsform haben die beiden Segmente 4o einen Krümmungsradius von ungefähr 7,6 cm. Die Segmente 42 sind mit einem Krümmungsradius von ungefähr 8,9 cm versehen. Dichroitisch^ Filter lassen sich so auslegen, daß sie sehr wirkungsvoll Licht über unterschiedliche Wellenbänder mit Spitzenwerten bei bestimmten gewünschten Wellenlängen durchlassen und reflektieren. Die vorliegend vorgesehenen dichroitischen Filterflächen reflektieren vorzugsweise besonders stark UV-Strahlung innerhalb eines Bandes mit einem Spitzenwert bei 37oo Angström, wenn das Licht auf die Oberfläche rechtwinklig (unter 9o Grad) auffällt. Die Flächen werden jedoch derart benutzt, daß der größte Teil des von der Quelle 13 ausgehenden Lichts die Fläche unter ungefähr 45 Grad trifft. Bei diesem Winkel wird UV-Licht

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über ein Band mit einem Spitzenwert bei einer Wellenlänge von 3478 Angström besonders wirkungsvoll reflektiert.

Die beschriebene Vorrichtung beruht darauf, daß die dichroitischen Filterflächen derart angeordnet werden, daß praktisch das gesamte Licht die Flächen mindestens einmal trifft und daß das gesamte die Anordnung 11 verlassende Licht nur einmal auf die Flächen aufgefallen ist. Dies ist notwendig, weil ein Lichtstrahl, der ein zweites Mal auf eine Filterfläche trifft in den meisten Fällen einen Einfallwinkel hat, der sich von dem ersten Einfallwinkel unterscheidet. Das UV-Band mit einem Spitzenwert bei 3478 Angström, das gebildet wird, wenn der Lichtstrahl auf die Oberfläche unter einem Einfalli/ winkel von 45 Grad gegenüber der senkrechten trifft, wird beispielsweise fast vollständig durchgelassen, wenn es auf eine zweite Fläche unter einem Einfallwinkel gelangt, der sich von 45 Grad wesentlich unterscheidet; damit würde der angestrebte Effekt zunichte gemacht, UV-Licht zu reflektieren und nur IR-Licht durchzulassen.

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Claims (2)

1. Ansprüche

   Vorrichtung zum Aufbringen eines im wesentlichen ganz aus Ultraviolettlicht bestehenden Strahls hoher Flußdichte auf ein Substrat, gekennzeichnet durch ein ellipsenähnliches Reflektorgehduse (1 ) mit einer am einen Ende vorgesehenen Öffnung (4) und einer ersten Brennlinie (15); eine innerhalb des Gehäuses im Bereich der Brennlinie des Gehäuses angeordnete, lineare UV-Lichtquelle (13), deren Längsachse in einer zu der Ebene der Öffnung des Reflektorgehäuses senkrechten Symmetrieebene (16) der Vorrichtung liegt; eine auf jeder Seite der Symmetrieebene angeordnete erste, optisch flache, dichroitische Fläche (17, 18), deren eines Ende benachbart der Reflektorgehäuseöffnung (4) sitzt; eine auf jeder Seite der Symmetrieebene angeordnete, zweite optisch flache, dichroitische Fläche (19, 2o), die mit der anderen Seite (21, 22) der ersten dichroitischen Fläche derart verbunden ist, daß die erste und die zweite dichroitische Fläche auf beiden Seiten der Symmetrieebene, von dieser aus gesehen, eine konkave Oberfläche bilden; und ein zwischen den konkaven Oberflächen montiertes, keilförmiges Bauteil (3o) dessen Längssymmetrieebene mit der

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   Symmetrieebene der Vorrichtung zusammenfällt und das benachbart der Reflektoröffnung jenseits der zweiten Brennlinie (32) des Reflektorgehäuses derart sitzt, daß im wesentlichen das gesamte von der Linienquelle abgegebene UV-Licht nur einmal eine dichroitische Fläche trifft und im wesentlichen das gesamte die Vorrichtung verlassende UV-Licht einmal eine dichroitische Fläche getroffen hat.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absorption im wesentlichen des gesamten durch die dichroitischen Flächen (17, 18, 19, 2o) durchgelassenen Lichts hinter den dichroitischen Flächen Absorber (24, 25, 26, 27) angeordnet sind.

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